JP6719054B2 - Electrochemical hydrogen pump - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学式水素ポンプに関するものである。特に、水素を圧縮する電気化学式水素ポンプに関するものである。 The present invention relates to an electrochemical hydrogen pump. In particular, it relates to an electrochemical hydrogen pump that compresses hydrogen.
水素を燃料とする家庭用燃料電池は、その開発の進展とともに普及が進んでいる。さらに近年、家庭用燃料電池と同様に水素を燃料とする燃料電池車の量産、市販が開始されるに至った。しかしながら、家庭用燃料電池が既存の都市ガスと既存の商用電力を利用できるのと異なり、燃料電池車には水素インフラが不可決である。 Household fuel cells that use hydrogen as fuel are becoming more popular as their development progresses. Furthermore, in recent years, mass production and commercialization of fuel cell vehicles that use hydrogen as a fuel, similar to household fuel cells, have begun. However, unlike household fuel cells that can use existing city gas and existing commercial power, hydrogen infrastructure is inevitable for fuel cell vehicles.
従って、燃料電池車が今後拡大普及するには、水素インフラとしての水素ステーションの拡充が必要である。しかしながら、現在の水素ステーショには大規模な設備と用地が必要であり、したがって膨大な費用を必要とする。この点が燃料電池車普及のための解決すべき大きな課題となっている。 Therefore, in order for fuel cell vehicles to expand and spread in the future, it is necessary to expand hydrogen stations as hydrogen infrastructure. However, current hydrogen stations require large-scale facilities and sites, and thus enormous costs. This is a major issue to be solved for the spread of fuel cell vehicles.
そこで、大型の水素ステーションに代わるものとして、コンパクトで安価な小型の家庭用水素充填装置の開発が望まれている。この小型水素充填装置の開発の中で最も重要なのは、水素を圧縮する圧縮機の開発であり、現在注目されているのは、電気化学的に水素を昇圧できる電気化学式水素ポンプである。 Therefore, as an alternative to a large hydrogen station, the development of a compact, inexpensive, small-sized household hydrogen filling device is desired. The most important thing in the development of this compact hydrogen filling device is the development of a compressor that compresses hydrogen, and what is currently attracting attention is an electrochemical hydrogen pump that can electrochemically boost hydrogen.
電気化学式水素ポンプは従来の機械式水素圧縮装置に比べ、コンパクトであること、効率が高いこと、機械的動作部分がないのでメンテナンスが必要ないこと、騒音がほとんどないなどメリットが多くその実用化開発が切望されている。 Electrochemical hydrogen pumps have many advantages compared to conventional mechanical hydrogen compressors, such as compactness, high efficiency, no maintenance required because there is no mechanical operating part, and almost no noise. Is coveted.
現在、小型水素充填装置用として想定されている方式は、家庭用燃料電池の燃料改質装置を使って発生した水素を、燃料電池としての運転が停止している時に、電気化学式水素ポンプを使って電気化学的に水素を圧縮する方法である。このような電気化学式水素ポンプによれば、前記のメリットのほか、高々75%である燃料改質装置を使って発生した水素の濃度をほぼ100%の水素に改善し、かつ、燃料電池車に充填可能な超高圧力まで原理的には昇圧可能である。 At present, the method envisioned for small hydrogen filling devices uses an electrochemical hydrogen pump to generate hydrogen generated by the fuel reformer of a home fuel cell when operation as a fuel cell is stopped. It is a method of electrochemically compressing hydrogen. With such an electrochemical hydrogen pump, in addition to the above-mentioned merits, the concentration of hydrogen generated by using the fuel reformer of at most 75% can be improved to almost 100% of hydrogen, and the fuel cell vehicle can be used. In principle, it is possible to raise the pressure to an extremely high pressure at which filling is possible.
また、その構造は家庭用燃料電池の中の発電スタックとほぼ同様である。燃料電池の発電スタックと大きく異なる点は、低圧水素を供給するアノード極に比べ、カソード極の圧力が燃料電池車に水素を充填できる超高圧以上となる必要があり、両極の間に介在する電解質膜の支持構造には特殊構造が必要なことである。 In addition, the structure is almost the same as the power generation stack in the home fuel cell. The major difference from the fuel cell power generation stack is that the pressure of the cathode electrode must be higher than the ultrahigh pressure that can fill the fuel cell vehicle with hydrogen, compared to the anode electrode that supplies low-pressure hydrogen. A special structure is required for the support structure of the membrane.
図1に従来の燃料電池の発電スタック1の構造を示す。図1においては、アノード電極層3およびカソード電極層4が形成された電解質膜2の両面をアノード拡散層5およびカソード拡散層6で挟み込み、さらにその外側をアノードセパレータ7およびカソードセパレータ8で挟み込み、その外側をアノード絶縁板11およびカソード絶縁板12で挟み込んだあとボルト13とナット14で締結されている。
FIG. 1 shows the structure of a conventional fuel cell
また、アノード拡散層5およびカソード拡散層6の周囲にはガスが外部にもれないようにアノードシール9およびカソードシール10が取り付いている。燃料電池の発電スタック1を水素ポンプとして使用する場合は、アノード入り口15は低圧水素を供給するために使用し、アノード出口16は余剰の低圧水素を回収するために使用し、カソード入り口17は高圧水素を取り出すために使用し、カソード出口18は使わないので封止する。このように各配管口を接続し、アノード入り口15から低圧水素を供給し、アノード流路7aに低圧の水素を流した状態で電圧印加部19によりアノードセパレータ7とカソードセパレータ8の間に電圧をかけると、アノード電極層3では、水素がプロトンと電子に式1で解離する。
Further, an
アノード電極:H2(低圧)→2H++2e−・・・(式1)
アノード電極層3で解離したプロトンは水分子を同伴して電解質膜2を移動し、電子はアノード拡散層5からアノードセパレータ7を通り、電圧印加部19を介してカソードセパレータ8およびカソード拡散層6さらにはカソード電極層4に移動する。また、カソード電極側では、電解質膜2を移動してきたプロトンと、カソード拡散層6から伝わってきた電子とによる還元反応が行われ、水素が生成される。このとき、カソード入り口17を閉止するとカソード流路8b内の水素ガス圧が上昇し、高圧の水素ガスとなる。
カソード電極:2H++2e−→H2(高圧)・・・(式2)
ここでアノード側の水素の圧力P1とカソード側の水素の圧力P2と電圧Eとの関係は下の式3で示される。
Anode: H 2 (low pressure) → 2H + + 2e - ··· ( Equation 1)
The protons dissociated in the
Cathode electrode: 2H + +2e − →H 2 (high pressure) (Equation 2)
Here, the relationship between the pressure P1 of hydrogen on the anode side, the pressure P2 of hydrogen on the cathode side, and the voltage E is expressed by
E=(RT/2F)ln(P2/P1)+ir・・・(式3)
式1中において、気体定数(8.3145J/K・mol)をR、セルの温度KをT、ファラデー定数(96485C/mol)をF、カソード側圧力をP2、アノード側圧力をP1、電流密度(A/cm2)をi、セル抵抗(Ω・cm2)をrで示している。
E=(RT/2F)ln(P2/P1)+ir... (Formula 3)
In
式3から明らかなように、電圧を上げればカソード側の水素の圧力P2が上昇することが分かる。
As is clear from the
しかしながら、アノード拡散層5とアノードシール9の間、および、カソード拡散層6とカソードシール10の間には、組み立てるためのアノード側スキマ20およびカソード側スキマ21が必ず必要である。
However, the anode-
つまり、図2Aの斜視図に示す直径φdの円盤形状のアノード拡散層5を、図2Bの斜視図に示す内径φDの穴(開口)を有する環形状のアノードシール9の穴(開口)の中に組み込むには、直径φdよりも内径φDが大きい必要がある。この結果組み込みが完了した後には図3の幅δのアノード側スキマ20が発生する。なお、アノード側スキマ20の幅δは、直径φdと内径φDの差のおよそ半分である。例えば、アノード拡散層5の大きさが直径φ100mmのときは、アノード側スキマ20の幅δは0.1mm程度となるように直径φdや内径φDの基準寸法を設計するのが通常である。
That is, the disk-shaped
なぜなら、直径φdと内径φDの差を小さく設計し過ぎると、アノード拡散層5やアノードシール9の製作上の寸法バラツキにより直径dと内径Dの大小関係が逆転し、アノード拡散層5をアノードシール9の穴(開口)の中に組み込めなくなる場合が発生するからである。さらに、アノード拡散層5やアノードシール9の製作後に寸法検査をして合格品だけを使用することも考えられるが、このようにするとアノード拡散層5やアノードシール9の歩留まりが低下し、コスト高になるという問題がある。従って、アノード拡散層5やアノードシール9の間には幅0.1mm程度のアノード側スキマ20が必要である。
This is because if the difference between the diameter φd and the inner diameter φD is designed too small, the size relationship between the diameter d and the inner diameter D is reversed due to the dimensional variation in manufacturing the
カソード拡散層6とカソードシール10の場合も同様である。
The same applies to the case of the
このようにアノード側スキマ20やカソード側スキマ21を有する燃料電池の発電スタック1を水素ポンプとして使用して水素の昇圧を行う場合、高圧側の圧力が上昇するにつれて、このカソード側スキマ21にかかった水素の圧力により、電解質膜2は高圧側(カソード側)から低圧側(アノード側)に押されるようになる。つまり、高圧側のカソード側スキマ21から低圧側のアノード側スキマ20に電解質膜2が垂れ込むように変形してしまうのである。この変形が甚だしくなると電解質膜2に亀裂が生じ、ついには破損に至ることになる。
When the fuel cell
よって、一般的な燃料電池の発電スタック1を水素ポンプとし使用して昇圧できる水素の圧力はあまり高くなく、燃料電池車へ水素の充填を行うには不十分であると報告されている。そこで、一般的な燃料電池の発電スタックを水素ポンプとして使用し、高圧側と低圧側の圧力差があっても電解質膜に破損が生じないように電解質膜を支持する構造が提案されている(特許文献1)。
Therefore, it is reported that the pressure of hydrogen that can be boosted by using the
図4に、特許文献1記載の電気化学式水素ポンプ22の模式断面図を示す。特許文献1によれば、高圧がかかる領域つまりカソードシール10の内側よりも、低圧領域の剛体、つまり、アノード拡散層5のほうが広くなるように構成されている。つまり、アノード側スキマ20とカソード側スキマ21とが、同じ位置でない。
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the
このため、高圧が電解質膜2にかかってもその圧力は低圧側の高剛性のアノード拡散層5が受けることができる。したがって、電解質膜2は破損の要因となる曲げ力やせん断力は受けない。よって差圧があっても安全に電解質膜2を支持できるとされている。
Therefore, even if a high pressure is applied to the
しかしながら、上記のような構成では、水素の圧縮のために有効に利用されるのはカソード電極層4の部分のみであり、アノード拡散層5がカソード拡散層6よりも広い部分は、高価なTiの金属焼結体を拡散層として使いながら有効に利用できない無駄な部分となる。
However, in the above structure, only the portion of the
よって、水素ポンプの製作コストを低減するうえで解決すべき課題となっている。 Therefore, it is a problem to be solved in order to reduce the manufacturing cost of the hydrogen pump.
さらに、上記のような構成では、高圧側のカソード側スキマ21および低圧側のアノード側スキマ20によって性能上の問題が発生することがわかってきた。つまり、水素ポンプとして運転中に高圧側のカソード側スキマ21から低圧側のアノード側スキマ20に高圧の水素に一部が逆拡散し、せっかく昇圧した水素の圧力が逆拡散によって低下するという問題がある。つまり、水素ポンプとしての効率が低下することになる。
Further, it has been found that in the above-mentioned configuration, a performance problem occurs due to the
したがって、本願の目的は、コスト抑制の障害とならないようにアノード拡散層の広さとカソード拡散層の広さをほぼ同じ大きさにし、かつ、性能低下なく、差圧による電解質膜の破損を防止できる電気化学式水素ポンプを提供することにある。 Therefore, the object of the present application is to make the width of the anode diffusion layer and the width of the cathode diffusion layer substantially the same so as not to hinder cost control, and prevent damage to the electrolyte membrane due to differential pressure without performance degradation. It is to provide an electrochemical hydrogen pump.
上記課題を解決するために、一方の面にアノード電極とアノード拡散層とが位置し、
他方の面にカソード電極とアカソード拡散層とが位置する電解質膜と、上記アノード拡散層を取り囲む開口を有するアノードシールと、上記カソード拡散層を取り囲む開口を有するカソードシールと、上記アノードシールの外側に位置するアノードセパレータと、上記カソードシールの外側に位置するカソードセパレータと、を含み、上記アノード拡散層および上記カソード拡散層の外側面は第1傾斜面であり、上記アノードシールおよび上記カソードシールの内曲面は第2傾斜面であり、上記第1傾斜面と上記第2傾斜面とで合わせ面を形成し、上記合わせ面は、上記カソード電極層と上記アノード電極に対して、傾斜している電気化学式水素ポンプを用いる。
In order to solve the above problems, an anode electrode and an anode diffusion layer are located on one surface,
An electrolyte membrane having a cathode electrode and an cathode diffusion layer on the other surface, an anode seal having an opening surrounding the anode diffusion layer, a cathode seal having an opening surrounding the cathode diffusion layer, and an outside of the anode seal. An anode separator located on the outer side of the cathode seal, and a cathode separator located on the outer side of the cathode seal, and outer surfaces of the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer are first inclined surfaces. The curved surface is a second inclined surface, and the first inclined surface and the second inclined surface form a mating surface, and the mating surface is an electrical surface that is inclined with respect to the cathode electrode layer and the anode electrode. A chemical hydrogen pump is used.
本発明によれば、アノード拡散層5とアノードシール9の間のアノード側スキマ20や、カソード拡散層6とカソードシール10とのカソード側スキマ21が存在しないので電解質膜2がガスに露呈することがない。従って、高圧側から低圧側への水素の濃度拡散に起因する性能低下が抑制される。
According to the present invention, since the anode-
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図5は、実施の形態1における電気化学式水素ポンプ23の模式断面図である。
<全体構成>実施の形態1における電気化学式水素ポンプ23では、両面にアノード電極層3およびカソード電極層4が形成された電解質膜2を、アノード拡散層5およびカソード拡散層6、アノードセパレータ7およびカソードセパレータ8で挟み込んである。さらに、これらをアノード絶縁板11およびカソード絶縁板12で挟み込んだ後、ボルト13とナット14で締結されている。また、アノード拡散層5およびカソード拡散層6の周囲にはガスが外部にもれないようにアノードシール9およびカソードシール10が取り付いている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 5 is a schematic sectional view of the
<Overall Configuration> In the
電解質膜2は、陽イオン透過膜であり、例えば、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(商品名、旭化成株式会社製)等を用いることができる。電解質膜2のアノード側の面には、例えば、RuIrFeOx触媒を含むアノード電極層3を備え、カソード側の面には例えば白金触媒を含むカソード電極層4を備えている。
The
また、アノード拡散層5は、カソードセパレータ8内のカソード流路8bの高圧水素による電解質膜2の押し付けに耐え得る必要がある。カソード拡散層6としては、例えばチタン繊維焼結体またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施したもの等、導電性の多孔質体を用いることができる。
Further, the
また、カソード拡散層6としては、例えば高弾性な黒鉛化炭素繊維(炭素繊維を2000℃以上の高温で処理して黒鉛化を進行させたもの)や、チタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体等でペーパー状にしたものを用いることができる。
The
また、アノードシール9およびカソードシール10は、フッソゴムを圧縮成形によって製作したものを用いることができる。アノードセパレータ7およびカソードセパレータ8は、SUS316Lの板材を切削加工することで、それぞれに、カソード流路8b、アノード流路などを形成したものを用いることができる。
Further, as the
アノード拡散層5とアノードシール9の破断斜視図を図6A,図6Bに示す。
A broken perspective view of the
図6A,図6Bに示すように、アノード拡散層5の外側面を第1傾斜面α1とする。円環状のアノードシール9の内側面は2つの曲面で構成し、紙面上側は第2傾斜面β1、紙面下側は第3傾斜面γ1とする。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the outer side surface of the
カソード拡散層6、カソードシール10の破断斜視図を図7A、図7Bに示す。
7A and 7B are cutaway perspective views of the
同様に、図7A、図7Bに示すように、カソード拡散層6の外側面を第1傾斜面α2とする。円環状のカソードシール10の内側面は、2つの曲面で構成し、紙面下側は第2傾斜面β2、紙面上側は第3傾斜面γ2とする。
Similarly, as shown in FIGS. 7A and 7B, the outer surface of the
なお、アノード拡散層5の外側面と、アノードシール9の内側面とを、傾斜させることが好ましい。つまり、これらの合わせ面S1が、電解質膜2(電極層)の表面の平面に対して、垂直でなく、傾斜していることが好ましい。
In addition, it is preferable that the outer side surface of the
同様に、カソード拡散層6の外側面と、カソードシール10の内側面とを、傾斜させることが好ましい。つまり、これらの合わせ面S2が、電解質膜2(電極層)の表面の平面に対して、垂直でなく、傾斜していることが好ましい。
こうすれば、図1で示したアノード側スキマ20、カソード側スキマ21が無くなる。
Similarly, it is preferable to incline the outer surface of the
This eliminates the anode-
この合わせ面S1、S2とカソード電極層4の平面、アノード電極層3の平面とのなす角εは、90度より小さいのが好ましい。
The angle ε between the mating surfaces S1 and S2 and the plane of the
角εの範囲は、45度±30度がよい。好ましくは、45度±20度がよい。 The range of the angle ε is preferably 45°±30°. It is preferably 45°±20°.
なお、第3傾斜面γ1、γ2は、第1傾斜面α1、α2と第2傾斜面β1、β2との接触がしやすいように設けられている。第1傾斜面α1、α2と第2傾斜面β1、β2が接触して密着するには、アノードシール9やカソードシール10が積層方向に圧縮される必要がある。圧縮によって縮んだ分の体積のシールを、第3傾斜面γ1、γ2が形成するスキマに収納することができる。
結果、このスキマがない場合と比べて、より小さな圧縮力で第1傾斜面α1、α2と第2傾斜面β1、β2を接触して密着させることができる。
また、下記で説明するが、組み立て時、圧縮で変形しやすいように設けられている。第3傾斜面γ1、γ2は、第2傾斜面β1、β2と異なるもので、傾斜角度が異なる。第3傾斜面γ1、γ2の代わりに、または、第3傾斜面γ1、γ2とともに、アノード拡散層5、カソード拡散層6の外周面に、第1傾斜面と異なる傾斜の第4傾斜面を設けてもよい。
The third inclined surfaces γ1 and γ2 are provided so that the first inclined surfaces α1 and α2 and the second inclined surfaces β1 and β2 can easily come into contact with each other. In order for the first inclined surfaces α1 and α2 and the second inclined surfaces β1 and β2 to come into contact with and adhere to each other, the
As a result, the first inclined surfaces α1 and α2 and the second inclined surfaces β1 and β2 can be brought into contact with and brought into close contact with each other with a smaller compressive force as compared with the case where there is no gap.
Further, as will be described below, it is provided so as to be easily deformed by compression during assembly. The third inclined surfaces γ1 and γ2 are different from the second inclined surfaces β1 and β2 and have different inclination angles. Instead of the third inclined surfaces γ1 and γ2, or together with the third inclined surfaces γ1 and γ2, a fourth inclined surface having an inclination different from the first inclined surface is provided on the outer peripheral surface of the
なお、この1例では、第1、2、3傾斜面は、円錐台の外側面の一部分の形状である。 In addition, in this example, the first, second, and third inclined surfaces have a shape of a part of an outer surface of the truncated cone.
<積み重ね手順>
積み重ね手順を説明する。最初はアノード側の組立てである。図8に示すようにアノード絶縁板11を組み立て台(図示せず)の上に置く。その上(紙面上方)にアノードセパレータ7を積み重ねる。このアノードセパレータ7の上に円環状のアノードシール9を置き、アノードシール9の第2傾斜面β1とアノード拡散層5の第1傾斜面α1を合わせるようにアノード拡散層5積み重ねる。そのあと、アノード電極層3とカソード電極層4が塗工された電解質膜2を積み重ねる。以降はカソード側の組立てである。上記電解質膜2の上に、先にカソード拡散層6を重ねたあと、カソード拡散層6の第1傾斜面α2と、円環状のカソードシール10の内側面は第2傾斜面β2を合わせるようにカソードシール10を積み重ねる。さらに、カソードセパレータ8、カソード絶縁板12の順番に積み重ねる。
<Stacking procedure>
The stacking procedure will be described. The first is assembly on the anode side. As shown in FIG. 8, the
<圧縮作業>
次に、アノード絶縁板11が置かれた組み立て台(図示せず)をプレス機(図示せず)に設置し、カソード絶縁板12を上記組み立て台に向って下方に押し付けつることにより、圧縮力を加える。図8では圧縮力がかからない状態を表示しているので、アノード拡散層5よりもアノードシール9の厚さがδ1だけ厚くなっている。同様に、カソード拡散層6よりもカソードシール10の方が、厚さがδ2だけ厚くなっている。
<Compression work>
Next, an assembling table (not shown) on which the
この状態から圧縮力をかけていくと、アノードシール9の厚みが弾性的に変形して薄くなり、この変形量に相当するアノードシール9の体積が、アノードシール9の外端面外側に向かう方向(矢印f1で示す)やアノードシール9の紙面下側の第3傾斜面γ1に向かう方向(矢印g1で示す)に変形する。この際、アノード拡散層5の第1傾斜面α1は、円環状のアノードシール9の紙面上側の第2傾斜面β1に次第に強く押し付けられる。このようにアノードシール9が圧縮力によって弾性変形するので、電解質膜2とアノード電極層3とアノードシール9の内端面β1で形成されていたスキマ43を無くすることができる。
When a compressive force is applied from this state, the thickness of the
同様に、カソードシール10も圧縮力によって厚みが弾性的に変形して薄くなり、この変形量に相当する容量がカソードシール10の紙面上側の外端面外側に向かう方向(矢印f2で示す)やカソードシール10の紙面上側の第3傾斜面γ2に向かう方向(矢印g2で示す)に変形する。このようなカソードシール10の弾性変形により、カソード拡散層6とカソードシール10とカソードセパレータ8で形成されていたスキマ44を無くすることができる。
Similarly, the thickness of the
このように、本実施の形態の電気化学式水素ポンプにはアノード側スキマ20やカソード側スキマ21が存在しないので、電解質膜2がガスに露呈することがない。従って、高圧側から低圧側への水素の濃度拡散に起因する性能低下が抑制される。
As described above, since the anode-
<評価装置>
図9は電気化学式水素ポンプ23の評価装置40の模式断面図である。電気化学式水素ポンプ23に電圧印加部19で電流を流し、水素ボンベ24とレギュレータ25で電気化学式水素ポンプ23に低圧水素を供給する。この低圧水素はバブラー26とヒーター27によって加湿されている。電気化学式水素ポンプ23で使用されなかった余剰水素は気液分離装置28と冷却装置29で露点を下げる。また、高圧側では圧力計30で圧力を測定し、その下流の排気バルブ31は常時は閉にし、圧力が一定値以上になると開にする。
<Evaluation device>
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the
ただし、排気バルブ31の開度は圧力損失が十分に発生するように調整される。つまり、排気バルブ31を通過した後の水素の圧力が、排気バルブ31で発生した圧力損失によって、ほぼ大気圧(大気圧の1.1倍程度)にまで低下するように排気バルブ31の開度が設定される。
However, the opening degree of the
ほぼ大気圧程度にまで減圧された水素は気液分離装置32と冷却装置33によって露点を下げられ、窒素ボンベ34から供給される窒素によって希釈装置35の内部で希釈された後、屋外へ通じる排気口36に流出する。
The hydrogen depressurized to about atmospheric pressure has its dew point lowered by the gas-
なお、以降のプロセスにおいて、ヒーター27は65(℃)、冷却装置29と33は(20℃)に設定した。
In the subsequent processes, the
<評価プロセス>
本願の水素ポンプを評価するにためのプロセスを説明する。
・ 図9のように、実施の形態1における電気化学式水素ポンプ23を接続する。
・ 3方弁37を大気開放位置(矢印A)から密閉側(矢印B)に切り替える。
・ 希釈用の窒素ボンベのバルブ38を操作して。希釈装置35に窒素を流す。
・ 水素ボンベ24のバルブ39とレギュレータ25を操作して、1.1(MPa)の水素を電気化学式水素ポンプ23に供給する。
・ 電圧印加部19をONにし、電極面積から計算して1.0(A/cm2)となるように電流値を設定する。
・ 5分間通電を継続する。5分後の圧力計30の値を記録する。
・ 電圧印加部19をOFFにし、各バルブの操作により水素の供給を停止し、続いて希釈用の窒素の供給を停止する。
・ 最後に3方弁37を密閉位置(矢印B)から大気開放側(矢印A)に切り替える。
・ 上記(1)〜(8)の操作を50回繰り返す。
(10)本願の実施の形態1における電気化学式水素ポンプ23とりはずす。
<Evaluation process>
A process for evaluating the hydrogen pump of the present application will be described.
As shown in FIG. 9, the
-The three-
-Operate the
The
-The
・Continue to energize for 5 minutes. Record the
-The
Finally, the three-
-Repeat the operations (1) to (8) 50 times.
(10) The
<評価結果>
図10の折れ線aは、上記プロセスの回数を横軸に、特許文献2における電気化学式水素ポンプ22の各回数における圧力比を縦軸にとってプロットした線図である。
<Evaluation result>
A polygonal line a in FIG. 10 is a diagram in which the number of times of the above process is plotted on the horizontal axis and the pressure ratio at each number of times of the
折れ線bは、上記プロセスの回数を横軸に、本願の実施の形態1における電気化学式水素ポンプ23の各回数における圧力比を縦軸に、プロットした線図である。
The polygonal line b is a diagram in which the number of times of the above process is plotted on the horizontal axis and the pressure ratio at each number of times of the
折れ線bは、初回から50回目まで、多少の変動はあるがほぼ毎回、圧力比が0.98〜0.99となっている。一方、折れ線aは、折れ線bと比べると初回から圧力比が0.01ポイントほど低く、50回目付近になると急激に低下している。 The polygonal line b has a pressure ratio of 0.98 to 0.99 almost every time from the first time to the 50th time, although there is some variation. On the other hand, in the polygonal line a, the pressure ratio is lower by about 0.01 point from the first time than in the polygonal line b, and sharply decreases in the vicinity of the 50th time.
折れ線aにおいて、初回から圧力比が低い原因は、図4の特許文献2における電気化学式水素ポンプのカソード側スキマ21からアノード側スキマ20に向かって水素の濃度拡散が生じているためと考えられる。
In the polygonal line a, the reason why the pressure ratio is low from the first time is considered to be that hydrogen concentration diffusion occurs from the
また、折れ線aにおいて、50回目付近になると急激に低下している原因は、各回の通電初期において、電解質膜2を透過してきた水素とカソード側セパレータのカソード流路8bに残った空気中の酸素がカソード側スキマ21の付近で燃焼反応を起こし、次第に電解質膜2にダメージが加わったためと考えられる。
Further, in the polygonal line a, the cause of the rapid decrease near the 50th time is that the hydrogen that has permeated the
これに対して、本願の実施の形態1における折れ線bにおいて、初回から50回目までほぼ安定した圧力比となっており、圧縮効率の低下は発生していない。 On the other hand, in the polygonal line b in the first embodiment of the present application, the pressure ratio is almost stable from the first time to the 50th time, and the compression efficiency does not decrease.
従って、カソード側スキマ21(図1)やアノード側スキマ20(図1)のように電解質膜2がガスに露呈する場所が存在しない。結果、水素の逆拡散や電解質膜2の損傷が発生しにくくなっているものと考えられる。
Therefore, there is no place where the
なお、折れ線c、dは、以下の実施の形態2のデータであり、後半で説明する。
(実施の形態2)
図11は、実施の形態2における電気化学式水素ポンプ41の模式断面図である。
<全体構成>
実施の形態2における電気化学式水素ポンプ41が、実施の形態1における電気化学式水素ポンプ23と異なる所は、アノードセパレータ7とカソードセパレータ8とに第1突起45があることである。記載しない事項は、実施の形態1と同様である。
The polygonal lines c and d are the data of the second embodiment below, which will be described later.
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the
<Overall structure>
The
すなはち、アノードセパレータ7とカソードセパレータ8には第1突起45が各々設けられており、組み立て時に第1突起45がアノードシール9およびカソードシール10を局部的に押さえつける構造になっていることである。
That is, the anode separator 7 and the
このことによってアノード拡散層5の外側面α1とアノードシール9の内側面β1や、カソード拡散層6の外側面α2とカソードシール10の内側面β2を強く密着させることができる。
As a result, the outer surface α1 of the
<評価>
図10の折れ線cは、上記プロセスの回数を横軸に、実施の形態1と同様の上記プロセスに従って得られた本願の実施の形態2における電気化学式水素ポンプ41の圧力比を縦軸にとってプロットした線図である。
<Evaluation>
A polygonal line c in FIG. 10 is plotted with the horizontal axis representing the number of times of the above-mentioned process, and the vertical axis representing the pressure ratio of the
図10の折れ線cによると、本願の実施の形態2の電気化学式水素ポンプ41は初回から50回目まで、多少の変動はあるがほぼ毎回圧力比0.98〜0.99となっており、圧縮効率の低下は発生していない。
According to the polygonal line c in FIG. 10, the
従って、特許文献2における電気化学式水素ポンプ22のカソード側スキマ21やアノード側スキマ20のように電解質膜2がガスに露呈する場所が存在しないので水素の逆拡散や電解質膜の損傷が発生しにくくなっているものと考えられる。
(実施の形態3)
図12は、実施の形態3における電気化学式水素ポンプ42の締結前の状態での模式断面図である。
Therefore, unlike the cathode-
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the
<全体構成>
実施の形態3における電気化学式水素ポンプ42が、実施の形態1における電気化学式水素ポンプ41と異なる所は、アノードシール9およびカソードシール10に第2突起46があることである。記載しない事項は、実施の形態1と同様である。
<Overall structure>
The
すなはち、アノードシール9およびカソードシール10には、第2突起46が設けられており、組み立て時に第2突起46がアノードセパレータ7およびカソードセパレータ8に局部的に押さえつけられる構造になっている。このことによってアノード拡散層5の外側面とアノードシール9の内側面や、カソード拡散層6の外側面とカソードシール10の内側面を強く密着させることができる。
That is, the
<評価>
図10の折れ線eは、上記プロセスの回数を横軸に、実施の形態1と同様の上記プロセスに従って得られた本願の実施の形態3における電気化学式水素ポンプ42の圧力比を縦軸にとってプロットした線図である。
<Evaluation>
The polygonal line e in FIG. 10 is plotted with the horizontal axis representing the number of times of the above process, and the vertical axis representing the pressure ratio of the
図10の折れ線eによると、本願の実施の形態3の電気化学式水素ポンプ42は初回から50回目まで、多少の変動はあるがほぼ毎回圧力比0.98〜0.99となっており、圧縮効率の低下は発生していない。
According to the polygonal line e in FIG. 10, the
従って、特許文献2における電気化学式水素ポンプ22のカソード側スキマ21やアノード側スキマ20のように電解質膜2がガスに露呈する場所が存在しないので水素の逆拡散や電解質膜の損傷が発生しにくくなっているものと考えられる。
Therefore, unlike the cathode-
(効果)
なお、本発明の電気化学式水素ポンプは、アノードシールはアノード拡散層へ、また、カソードシールはカソード拡散層に、傾斜面を合わせ面として押し当てられ配置される。このことで、アノード拡散層とアノードシールのスキマ、および、カソード拡散層とカソードシールのスキマが生じることなく密着できる。結果、拡散層とシールの間にスキマが存在せず、電解質膜がガスに露呈することがないので、高圧側から低圧側への水素の濃度拡散に起因する性能低下が抑制されるので、家庭用の小型水素充填装置用の水素圧縮装置として最適なものとなる。
(effect)
In the electrochemical hydrogen pump of the present invention, the anode seal is pressed against the anode diffusion layer, and the cathode seal is pressed against the cathode diffusion layer, with the inclined surfaces pressed against each other. As a result, the anode diffusion layer and the anode seal can be brought into close contact with each other and the cathode diffusion layer and the cathode seal can be prevented from leaving a gap. As a result, there is no gap between the diffusion layer and the seal, and the electrolyte membrane is not exposed to gas, so the performance degradation due to the hydrogen concentration diffusion from the high pressure side to the low pressure side is suppressed, so It is the most suitable as a hydrogen compression device for a small hydrogen filling device.
さらに、低圧側のアノード拡散層5を、反応に寄与しない領域にまで拡大する必要がないので高価なTi金属焼結体で構成されるアノード拡散層5のコストを抑制できる。
(実施の形態4)
図13は、実施の形態4における電気化学式水素ポンプ50の模式断面図である。実施の形態1の図5に相当する図である。説明しない事項は、実施の形態1と同様である。
Further, since it is not necessary to expand the low-voltage side
(Embodiment 4)
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of the
実施の形態4における電気化学式水素ポンプ50が、実施の形態1における電気化学式水素ポンプ23と異なる所は、カソードシール10とカソード拡散層6との接続部分の構造である。同様に、アノード側の構造も同様である。
The
カソード拡散層6の上部、つまり、カソードセパレータ8側に、第4傾斜面Ζ2がある。
第4傾斜面Ζ2の傾きは、電解質膜2(電極層)の表面の平面に対して、垂直方向である。つまり、第4傾斜面Ζ2の傾きは、第2傾斜面α2と比較して、電解質膜2(電極層)の表面の平面に対して、より垂直である。
The fourth inclined surface Z2 is provided on the
The inclination of the fourth inclined surface Z2 is perpendicular to the plane of the surface of the electrolyte membrane 2 (electrode layer). That is, the inclination of the fourth inclined surface Z2 is more perpendicular to the plane of the surface of the electrolyte membrane 2 (electrode layer) than the second inclined surface α2.
第1傾斜面α2の他に第4傾斜面Ζ2が形成されたカソード拡散層6とカソードセパレータ8の接触面積は、第4傾斜面Ζ2が形成されず第1傾斜面α2だけが形成されたカソード拡散層6とカソードセパレータ8の接触面積とくらべて大きい。従って両者の接触抵抗が小さく、よって、IR損を低減できるので電力効率が改善できる。アノード側も同様である。高圧の水素を得るために電力の効率化ができる。
The contact area between the
なお、第4傾斜面Ζ2の傾きは、電解質膜2(電極層)の表面の平面に対して、最大垂直である。垂直を超えると、電気化学式水素ポンプ50の組み立てが困難である。
The inclination of the fourth inclined surface Z2 is maximum perpendicular to the plane of the surface of the electrolyte membrane 2 (electrode layer). Above the vertical, it is difficult to assemble the
(全体を通して)
実施の形態1〜4は、組み合わせることができる。例えば、実施の形態1のカソード側構造と、実施の形態2のアノード側の構造とを組み合わせることなどできる。
(Throughout)
The first to fourth embodiments can be combined. For example, the cathode side structure of the first embodiment and the anode side structure of the second embodiment can be combined.
また、上記実施の形態では、カソード側とアノード側との両方へ適用されているが、カソード側のみ、アノード側のみへの適用でもよい。 Further, in the above embodiment, the invention is applied to both the cathode side and the anode side, but it may be applied to only the cathode side or the anode side.
本発明の水素充填装置用の水素圧縮装置として利用できる。 It can be used as a hydrogen compression device for the hydrogen filling device of the present invention.
1 発電スタック
2 電解質膜
3 アノード電極層
4 カソード電極層
5 アノード拡散層
6 カソード拡散層
7 アノードセパレータ
7a アノード流路
8 カソードセパレータ
8b カソード流路
9 アノードシール
10 カソードシール
11 アノード絶縁板
12 カソード絶縁板
13 ボルト
14 ナット
15 アノード入り口
16 アノード出口
17 カソード入り口
18 カソード出口
19 電圧印加部
20 アノード側スキマ
21 カソード側スキマ
22 電気化学式水素ポンプ
23 電気化学式水素ポンプ
24 水素ボンベ
25 レギュレータ
26 バブラー
27 ヒーター
28 気液分離装置
29 冷却装置
30 圧力計
31 排気バルブ
32 気液分離装置
33 冷却装置
34 窒素ボンベ
35 希釈装置
36 排気口
37 3方弁
38 バルブ
39 バルブ
40 評価装置
41 電気化学式水素ポンプ
42 電気化学式水素ポンプ
45 第1突起
46 第2突起
43、44 スキマ
50 電気化学式水素ポンプ
φd 直径
φD 直径
δ 幅
α1 第1傾斜面
α2 第1傾斜面
β1 第2傾斜面
β2 第2傾斜面
γ1 第3傾斜面
γ2 第3傾斜面
Ζ1 第4傾斜面
Ζ2 第4傾斜面
δ1 寸法
δ2 寸法
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記カソード拡散層を取り囲む開口を有するカソードシールと、
前記アノードシールの外側に位置するアノードセパレータと、
前記カソードシールの外側に位置するカソードセパレータと、を含み、
前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層の外側面は第1傾斜面であり、前記アノードシール、又は、前記カソードシールの前記開口の内曲面は第2傾斜面であり、
前記第1傾斜面と前記第2傾斜面とで合わせ面を形成し、前記合わせ面は、前記カソード電極、又は、前記アノード電極に対して、傾斜している電気化学式水素ポンプであり、
前記アノードシール、又は、前記カソードシールの内曲面は、前記第2傾斜面と異なる傾斜面である第3傾斜面を有する電気化学式水素ポンプ。 The one surface of the anode electrode and the anode diffusion layer position, and the electrolyte membrane and the cathode electrode and the Ca cathode diffusion layer positioned on the other side, an anode seal having an opening surrounding the anode diffusion layer,
A cathode seal having an opening surrounding the cathode diffusion layer,
An anode separator located outside the anode seal,
A cathode separator located outside the cathode seal,
The outer surface of the anode diffusion layer or the cathode diffusion layer is a first inclined surface, and the inner curved surface of the opening of the anode seal or the cathode seal is a second inclined surface,
A mating surface is formed by the first inclined surface and the second inclined surface, and the mating surface is an electrochemical hydrogen pump inclined with respect to the cathode electrode or the anode electrode,
The electrochemical hydrogen pump, wherein an inner curved surface of the anode seal or the cathode seal has a third inclined surface which is an inclined surface different from the second inclined surface.
前記カソード拡散層を取り囲む開口を有するカソードシールと、
前記アノードシールの外側に位置するアノードセパレータと、
前記カソードシールの外側に位置するカソードセパレータと、を含み、
前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層の外側面は第1傾斜面であり、前記アノードシール、又は、前記カソードシールの前記開口の内曲面は第2傾斜面であり、
前記第1傾斜面と前記第2傾斜面とで合わせ面を形成し、前記合わせ面は、前記カソード電極、又は、前記アノード電極に対して、傾斜している電気化学式水素ポンプであり、
前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層の外側面は、
前記第1傾斜面と異なる傾斜面である第4傾斜面を有する電気化学式水素ポンプ。 The one surface of the anode electrode and the anode diffusion layer position, and the electrolyte membrane and the cathode electrode and the Ca cathode diffusion layer positioned on the other side, an anode seal having an opening surrounding the anode diffusion layer,
A cathode seal having an opening surrounding the cathode diffusion layer,
An anode separator located outside the anode seal,
A cathode separator located outside the cathode seal,
The outer surface of the anode diffusion layer or the cathode diffusion layer is a first inclined surface, and the inner curved surface of the opening of the anode seal or the cathode seal is a second inclined surface,
A mating surface is formed by the first inclined surface and the second inclined surface, and the mating surface is an electrochemical hydrogen pump inclined with respect to the cathode electrode or the anode electrode,
The outer surface of the anode diffusion layer or the cathode diffusion layer is
An electrochemical hydrogen pump having a fourth inclined surface which is an inclined surface different from the first inclined surface.
前記カソード拡散層を取り囲む開口を有するカソードシールと、
前記アノードシールの外側に位置するアノードセパレータと、
前記カソードシールの外側に位置するカソードセパレータと、を含み、
前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層の外側面は第1傾斜面であり、前記アノードシール、又は、前記カソードシールの前記開口の内曲面は第2傾斜面であり、
前記第1傾斜面と前記第2傾斜面とで合わせ面を形成し、前記合わせ面は、前記カソード電極、又は、前記アノード電極に対して、傾斜している電気化学式水素ポンプであり、
前記アノードシール、又は、前記カソードシールは、前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層の厚さよりも厚い電気化学式水素ポンプ。 The one surface of the anode electrode and the anode diffusion layer position, and the electrolyte membrane and the cathode electrode and the Ca cathode diffusion layer positioned on the other side, an anode seal having an opening surrounding the anode diffusion layer,
A cathode seal having an opening surrounding the cathode diffusion layer,
An anode separator located outside the anode seal,
A cathode separator located outside the cathode seal,
The anode diffusion layer, or the outer surface of the cathode diffusion layer is a first inclined surface, the anode seal, or the inner curved surface of the opening of the cathode seal is a second inclined surface,
A mating surface is formed by the first inclined surface and the second inclined surface, and the mating surface is an electrochemical hydrogen pump inclined with respect to the cathode electrode or the anode electrode,
An electrochemical hydrogen pump in which the anode seal or the cathode seal is thicker than the anode diffusion layer or the cathode diffusion layer.
前記アノードシール、又は、前記カソードシールは、平板形状で、上下面の内、前記開口が大きい方の面を前記電解質膜側に向け配置された請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。 The anode diffusion layer or the cathode diffusion layer has a flat plate shape, of the upper and lower surfaces, the wider surface is arranged toward the electrolyte membrane side,
The anode seal or the cathode seal has a flat plate shape, and is arranged such that, of the upper and lower surfaces, the surface having the larger opening faces the electrolyte membrane side. Electrochemical hydrogen pump.
前記第1突起が前記アノードシール、又は、前記カソードシールを押さえつける構造になっている請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。 The anode separator or the cathode separator is provided with a first protrusion,
The electrochemical hydrogen pump according to any one of claims 1 to 5, wherein the first protrusion has a structure for pressing the anode seal or the cathode seal.
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